小型蓄冷蓄熱型熱泵干燥裝置的理論探討

呂金虎++張平湖++鄧玉艷++李金成++陳嘉澍

摘 要 針對在農(nóng)副產(chǎn)品干燥加工中傳統(tǒng)的封閉式熱泵干燥裝置存在的不足，介紹了一種蓄冷蓄熱型熱泵干燥裝置，提出了蓄熱時間數(shù)與蓄冷時間數(shù)的概念，以及采用控制蓄熱劑溫度來控制制冷壓縮機的開機與停機的控制方式；并以小型裝置為例，計算出采用石蠟作為蓄冷劑與蓄熱劑時所需的最小用量，給出了高溫中間換熱器與低溫中間換熱器的設計。

關(guān)鍵詞 蓄冷蓄熱型 ；熱泵干燥裝置 ；蓄熱時間數(shù) ；蓄冷時間數(shù)

中圖分類號 S226.6

Abstract The paper introduces the cool storage and heat storage type heat pump dryer in order to overcome the faults of the traditional closed type heat pump in farm and sideline products drying. It presents the concept of the number of heat storage time and the number of cool storage time， and the way of controlling starting up and stopping of the refrigeration compressor by controlling the temperature of regenerative agent. The paper takes a small device as an example，gives the minimum amount of paraffin as the cool storage agent and regenerative agent，and provides the design of the intermediate heat exchangers of high temperature and low temperature.

Key words cool storage and heat storage type ；heat pump dryer ；number of heat storage time ；number of cool storage time

熱泵干燥技術(shù)具有高效節(jié)能、溫度可調(diào)、內(nèi)環(huán)境衛(wèi)生、外環(huán)境環(huán)保和干燥產(chǎn)品品質(zhì)高等優(yōu)點，因而在農(nóng)副產(chǎn)品的干燥加工中得到廣泛的應用[1]，但是，傳統(tǒng)的封閉式熱泵干燥裝置存在缺陷。在傳統(tǒng)的封閉式熱泵干燥系統(tǒng)中，循環(huán)空氣既作為干燥介質(zhì)，又作為制冷系統(tǒng)冷凝器的冷卻介質(zhì)。循環(huán)空氣通過蒸發(fā)器降溫除濕，通過冷凝器加熱升溫，因而當環(huán)境溫度較高時，尤其是在夏季，循環(huán)空氣的溫度上升導致冷凝器的冷凝壓力升高、制冷壓縮機的排氣溫度上升，使得制冷壓縮機出現(xiàn)高壓保護或過熱保護頻繁動作，熱泵干燥裝置無法正常工作，干燥過程無法正常進行，從而限制了熱泵干燥裝置在農(nóng)副產(chǎn)品干燥加工中的應用。為了解決此問題，有的熱泵干燥裝置采用了輔助冷凝器等結(jié)構(gòu)形式[2-3]。本文提出了蓄冷蓄熱型熱泵干燥裝置在此探討。

1 理論分析

1.1 蓄冷蓄熱型熱泵干燥裝置的結(jié)構(gòu)

蓄冷蓄熱型熱泵干燥裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。蓄冷蓄熱型熱泵干燥裝置由4個系統(tǒng)組成：制冷系統(tǒng)、低溫載冷系統(tǒng)、高溫載熱系統(tǒng)和空氣循環(huán)系統(tǒng)。

1.1.1 制冷系統(tǒng)

制冷系統(tǒng)是由壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器、干燥過濾器、節(jié)流元件和連接管道組成。其中，蒸發(fā)器設置在低溫中間換熱器中，冷凝器設置在高溫中間換熱器中。制冷系統(tǒng)工作時，從蒸發(fā)器出來的制冷劑蒸汽在制冷壓縮機的作用下變?yōu)楦邏焊邷氐恼羝缓筮M入冷凝器進行冷凝并成為液體，冷凝器將熱量傳遞給高溫中間換熱器中的蓄熱劑；液體制冷劑經(jīng)節(jié)流元件降壓后進入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中，制冷劑從液體蒸發(fā)為蒸汽，蒸發(fā)器將冷量傳遞給低溫中間換熱器中的蓄冷劑，制冷劑蒸汽再次進入制冷壓縮機進行壓縮，制冷循環(huán)如此進行。

1.1.2 低溫載冷系統(tǒng)

低溫載冷系統(tǒng)包括低溫中間換熱器、載冷劑循環(huán)泵、空氣冷卻器和連接管道。低溫中間換熱器由蓄冷劑、蒸發(fā)器和載冷劑冷卻器構(gòu)成。制冷劑在蒸發(fā)器中通過蒸發(fā)而將冷量傳遞給蓄冷劑，蓄冷劑又通過載冷劑冷卻器將冷量傳遞給載冷劑，使得載冷劑溫度下降；然后，循環(huán)泵把載冷劑輸送到空氣冷卻器，對從干燥箱出來的高溫高濕循環(huán)空氣進行降溫除濕，載冷劑溫度升高后通過管道進入載冷劑冷卻器再次降溫，載冷劑循環(huán)如此進行。

1.1.3 高溫載熱系統(tǒng)

高溫載熱系統(tǒng)包括高溫中間換熱器、載熱劑循環(huán)泵、空氣加熱器和連接管道。高溫中間換熱器是由冷凝器、蓄熱劑和載熱劑加熱器組成。高溫制冷劑通過冷凝器將熱量傳遞給蓄熱劑，蓄熱劑又通過載熱劑加熱器將熱量傳遞給載熱劑，使得載熱劑溫度升高；載熱劑再由循環(huán)泵輸送至空氣加熱器中，對風道中經(jīng)過空氣冷卻器降溫除濕后的循環(huán)空氣加熱；載熱劑溫度降低后通過管道進入載熱劑加熱器再次進行加熱升溫，載熱劑循環(huán)如此進行。

1.1.4 空氣循環(huán)系統(tǒng)

空氣循環(huán)系統(tǒng)包括干燥箱、風道、風機、空氣冷卻器和空氣加熱器。循環(huán)空氣從干燥箱中吸收被干燥物料的水分，在風機的驅(qū)動下進入風道，先流過空氣冷卻器進行降溫除濕，冷凝水由排水管排出干燥裝置外；然后，冷凝水經(jīng)空氣加熱器加熱升溫成為低濕高溫的空氣，再次進入干燥室對物料進行干燥，循環(huán)空氣如此循環(huán)往復。

熱泵干燥裝置因環(huán)境溫度過高引發(fā)制冷壓縮機停機，使得干燥過程無法進行，為了解決這一問題，蓄冷蓄熱型熱泵干燥裝置通過低溫中間換熱器中蓄冷劑所蓄的冷量與高溫中間換熱器中蓄熱劑所蓄的熱量來滿足在制冷壓縮機停機時空氣冷卻器和空氣加熱器分別對冷量與熱量的需求，實現(xiàn)對循環(huán)空氣進行正常的除濕與加熱，使得干燥過程得以持續(xù)進行。

為了便于分析，本文在此只針對小型蓄熱蓄冷型熱泵干燥裝置進行分析。小型熱泵干燥裝置一般是指節(jié)流元件采用毛細管的系統(tǒng)，在這種裝置中制冷壓縮機采用過熱保護器。

1.2 制冷系統(tǒng)理論計算

對于制冷系統(tǒng)而言，在冷凝溫度與蒸發(fā)溫度給定的條件下，制冷系統(tǒng)的理論循環(huán)如圖2所示。

制冷系統(tǒng)可提供的熱量為：Qk=m（h2-h3）

式中：Qk—制冷系統(tǒng)提供的熱量，kW；m—制冷劑質(zhì)量流量，kg/s；h2—制冷劑進冷凝器的焓值，kJ/kg；h3—制冷劑進節(jié)流機構(gòu)的焓值，kJ/kg。

制冷系統(tǒng)可提供的冷量為：Q0=m（h1-h3）

式中：Q0—制冷系統(tǒng)提供的冷量，kW；h1—制冷劑出蒸發(fā)器的焓值，kJ/kg。

以小型蓄冷蓄熱型熱泵干燥裝置為例，熱泵裝置采用1P制冷壓縮機，制冷劑為R134a。假定熱泵的運行工況為：冷凝溫度54 ℃，蒸發(fā)溫度為1 ℃，過冷溫度為50.6 ℃，過熱溫度為5.5 ℃。則可以通過制冷劑的壓-焓圖查出各狀態(tài)點的焓值，從而計算出：

Q0為3.01 kW；

Qk為3.745 kW。

2 蓄熱劑用量與蓄冷劑用量的確定

2.1 蓄熱劑用量的確定

蓄熱時間數(shù)是確定蓄熱劑用量的主要參數(shù)。對于小型蓄熱蓄冷熱泵干燥裝置而言，當制冷壓縮機因過熱停機時，下一次啟動的時間必須滿足制冷系統(tǒng)的冷凝壓力與蒸發(fā)壓力通過毛細管達到平衡，一般時間為3-5 min，因而蓄熱時間數(shù)有一個理論最小值。最小蓄熱時間數(shù)可以根據(jù)停機啟動所需時間確定。

2.2 蓄冷劑用量的確定

蓄冷時間數(shù)是確定蓄冷劑用量的主要參數(shù)。對于小型蓄熱蓄冷熱泵干燥裝置而言，在滿足制冷壓縮機因過熱而停機啟動所需時間的條件下，同樣，蓄冷時間數(shù)有一個理論最小值。最小蓄冷時間數(shù)由制冷壓縮機停機啟動所需時間確定。

在運行工況確定的情況下，熱泵干燥裝置所提供的冷量與熱量是不變的，同時，蓄熱劑與蓄冷劑所儲存的熱量與冷量均需保證制冷壓縮機停機所需時間內(nèi)熱泵干燥過程的正常進行，而二者的這一時間是相同的，因此，對于蓄熱蓄冷熱泵干燥裝置而言，蓄熱時間數(shù)等于蓄冷時間數(shù)。

2.3 相變材料石蠟

作為相變蓄熱材料，石蠟具有無腐蝕、安全可靠和價格低廉等優(yōu)點，在500 ℃以下表現(xiàn)出化學惰性與穩(wěn)定性，相變時體積變化很小，熔化時蒸汽壓很低，因而作為蓄熱蓄冷用石蠟具有良好的特性，并得到廣泛的應用。純石蠟的缺點是導熱系數(shù)低，為提高石蠟的熱導率，可以加入導熱率高、相容性好的物質(zhì)（如金屬粉末、石墨、碳纖維、納米粒子等）與石蠟組成復合相變材料，可更有效提高熱導率，且不影響石蠟的相變潛熱[4]。

假定小型蓄熱蓄冷熱泵干燥裝置制冷壓縮機因過熱停機時，下一次啟動的時間必須滿足停機5 min的要求；為保障干燥裝置在制冷壓縮機停機時能正常工作，分別采用石蠟（十四烷）、相變溫度5.5 ℃、相變潛熱228 kJ/kg作為蓄冷劑；石蠟（二十四烷）、相變溫度50.6 ℃、相變潛熱248 kJ/kg作為蓄熱劑時，可以計算出所需的蓄熱劑與蓄冷劑的最小用量。

在5 min停機的情況下，蓄熱劑與蓄冷劑必須滿足5 min干燥過程所要提供的熱量與冷量，此時，最小蓄熱時間數(shù)與最小蓄冷時間數(shù)都為300 s。因此，對于采用1P制冷壓縮機的小型蓄熱蓄冷型熱泵干燥裝置，根據(jù)上述的運行工況可以計算出蓄熱劑在相變溫度50.6 ℃時所需儲存的最小熱量和蓄冷劑在相變溫度5.5 ℃時所需儲存的最小冷量。

蓄熱劑所需儲存的最小熱量為：1 123.5 kJ。

蓄冷劑所需儲存的最小冷量為：903 kJ。

根據(jù)上述值可以計算出：

蓄熱劑石蠟（二十四烷）最小用量為：4.52 kg。

蓄冷劑石蠟（十四烷）最小用量為：3.95 kg。

3 裝置的控制

傳統(tǒng)的封閉式熱泵干燥裝置在夏季高溫環(huán)境中，由于冷凝壓力過高與排氣溫度過高，制冷壓縮機因壓力保護或過熱保護而被迫停機，因此，控制冷凝壓力或排氣溫度是保障熱泵干燥裝置平穩(wěn)運行的有效方法。

蓄冷蓄熱型熱泵干燥裝置可以通過控制蓄熱劑的溫度來控制制冷壓縮機的運行與停機。通過設置蓄熱劑的最高溫度與最低溫度來控制制冷壓縮機的開停，而停機時間的長短由蓄熱劑的蓄熱能力確定。

采用相變蓄熱劑時，在保證一定的傳熱溫差的條件下，選擇的蓄熱劑的相變溫度必須保證制冷系統(tǒng)的冷凝壓力處于制冷壓縮機的正常壓力工作范圍之內(nèi)，同時，對于小型裝置而言，制冷壓縮機的排氣溫度不能使過熱保護器動作動作。此時，可以以相變溫度為基準，設置當蓄熱劑溫度高于相變溫度0.5-1 ℃時，制冷壓縮機停機；設置當蓄熱劑溫度低于相變溫度0.5-1 ℃時，制冷壓縮機開機，這樣可保障熱泵干燥裝置的安全平穩(wěn)運行與干燥過程的正常進行。

4 主要部件的設計

4.1 高溫中間換熱器

高溫中間換熱器是由冷凝器、蓄熱劑、載熱劑加熱器和保溫箱體構(gòu)成。

4.1.1 冷凝器

對于小型蓄冷蓄熱型熱泵干燥裝置，采用相變蓄熱劑時，冷凝器可采用光滑銅管繞制成盤管型式，其傳熱面積計算式為：

式中：Fn—冷凝器傳熱面積，m2；kn—冷凝器的傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；tk—冷凝溫度，℃；tn—蓄熱劑的相變溫度，℃。

4.1.2 載熱劑加熱器

載熱劑加熱器可采用光滑銅管繞制成盤管型式，其傳熱面積的計算式為：

式中：Fr—載熱劑加熱器的傳熱面積；m2；kr—載熱劑加熱器的傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；△tmr—載熱劑加熱器的平均對數(shù)傳熱溫差，℃。

對于農(nóng)副產(chǎn)品的干燥，載熱劑可以采用水。

4.2 低溫中間換熱器

低溫中間換熱器是由蒸發(fā)器、蓄冷劑、載冷劑冷卻器和保溫箱體構(gòu)成。

4.2.1 蒸發(fā)器

對于小型蓄冷蓄熱型熱泵干燥裝置，采用相變蓄冷劑時，蒸發(fā)器可采用光滑銅管繞制成盤管型式，其傳熱面積計算式為：

式中：Fz—蒸發(fā)器的傳熱面積，m2；kz—蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；tz—蓄冷劑的相變溫度，℃；to—蒸發(fā)溫度，℃。

4.2.2 載冷劑冷卻器

載冷劑冷卻器可采用光滑銅管繞制成盤管型式，其傳熱面積的計算式為：

式中：Fl—載冷劑冷卻器的傳熱面積；m2；kl—載冷劑冷卻器的傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；△tml—載冷劑冷卻器的平均對數(shù)傳熱溫差，℃。

對于農(nóng)副產(chǎn)品的干燥，載冷劑可以采用水。

5 結(jié)論

蓄冷蓄熱型熱泵干燥裝置是以通過蓄冷和蓄熱的方式，有效地解決制冷壓縮機因環(huán)境溫度過高而停機時干燥過程無法進行的問題。為了確定蓄冷劑與蓄熱劑的用量，本文提出了蓄熱時間數(shù)與蓄冷時間數(shù)的概念，同時，提出采用控制蓄熱劑溫度的方式來控制制冷壓縮機的開機與停機。并以小型裝置為例，在制冷壓縮機因過熱停機啟動所需時間確定的情況下，計算出了最小蓄熱時間數(shù)與最小蓄冷時間數(shù)，以及采用石蠟作為蓄冷劑和蓄熱劑的最小用量，給出了高溫中間換熱器與低溫中間換熱器的設計公式，為小型蓄冷蓄熱型熱泵干燥裝置的設計與分析提供了良好的依據(jù)。

參考文獻

[1] 呂金虎，趙春芳，李金成. 熱泵干燥技術(shù)在農(nóng)副產(chǎn)品加工中的應用與分析[J]. 農(nóng)機化研究，2010（1）：212-217.

[2] 李陽春，王劍鋒. 熱泵干燥系統(tǒng)幾種循環(huán)的對比分析與研究[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2003，34（6）：20-24.

[3] 許樹學，陳 東，喬 木. 熱泵干燥裝置的結(jié)構(gòu)及其應用特性分析[J]. 化工裝備技術(shù)，2005，26（5）：1-5.

[4] 王小鵬，張 毅，李東旭. 石蠟在相變儲能中的研究與應用進展[J]. 材料導報，2010，24（專輯16）：307-311.